5.2. Основы теории сплавов

Общая тенденция развития современной техники и технологии характеризуется стремлением использовать такие конструкционные материалы, которые могли бы обеспечивать достаточную работоспособность изделий не только при нормальных условиях, но и при повышенных скоростях и нагрузках, в условиях космического вакуума, при сверхвысоких и сверхнизких температурах, а также не изменять своей структуры и свойств при длительной работе. Кроме того, машиностроению необходимы сверхлёгкие, высокоупругие, звукопоглощающие и звукопроводящие, теплопроводные и теплозащитные материалы.

В большинстве случаев чистые металлы этими свойствами не обладают. В качестве же конструкционных материалов применяют в основном металлические сплавы, состоящие из двух и более элементов. Элементы или их химические соединения, образующие сплав, принято называть компонентами сплава. Сплавы могут быть получены сплавлением исходных компонентов, их спеканием, электролизом, возгонкой и другими способами. При этом свойства полученного сплава в значительной мере будут зависеть от его структуры. Компонентами сплавов могут быть как чистые металлы, так и неметаллы.

Однородные составные части сплава, отделенные друг от друга поверхностями раздела, называются фазами. Фаза имеет границу раздела и однородна по химическому составу и свойствам. Совокупность фаз, находящихся в состоянии равновесия, называют системой.

В жидком состоянии большинство металлов неограниченно растворяются друг в друге. В результате совместной кристаллизации нескольких элементов могут образовываться сплавы типа механической смеси, твёрдого раствора и химического соединения.

Механическая смесь образуется при раздельной кристаллизации компонентов. В этом случае каждый из металлов образует самостоятельные кристаллы. Свойства механической смеси определяются количественным соотношением входящих в неё кристаллов компонентов.

Механическая смесь с вполне определённым соотношением кристаллов, одновременно кристаллизующихся из жидкости, называется эвтектикой (от греч. eutektos – легкоплавящиеся). Эвтектики имеют постоянный химический состав и наинизшую температуру кристаллизации для данной системы сплавов.

Структура твёрдого раствора состоит из одного вида кристаллов, при этом атомы растворяющегося компонента либо внедряются в решётку растворителя, либо замещают в ней его атомы (рис.19). В связи с этим различают твёрдые растворы внедрения и твёрдые растворы замещения. Твёрдые растворы внедрения образуются обычно при совместной кристаллизации металла с неметаллом, например железа с углеродом. При этом атомы растворённого компонента размещаются между узлами кристаллической решётки металла-растворителя.

Твёрдые растворы замещения образуются в результате частичного замещения атомов кристаллической решётки основного компонента (металла-растворителя) атомами вспомогательного компонента (растворённого металла).

Твёрдые растворы замещения характерны для сплавов большинства металлов. Например, такие сплавы образуют железо с хромом, никелем, марганцем, молибденом, медь с цинком, оловом, алюминием и другими металлами.

Твёрдые металлические растворы характеризуются высокой пластичностью и прочностью. К ним принадлежит большинство конструкционных технических сплавов.

Химические соединения образуются в тех случаях, когда кристаллизующиеся элементы взаимно химически активны; их формулы определяются по валентностям составляющих элементов. Образующаяся при этом кристаллическая решётка будет новой, значительно отличающейся от кристаллических решёток сплавляемых компонентов. По свойствам такие сплавы также резко отличаются от свойств образующих его компонентов.

В отличие от чистых металлов большинство металлических сплавов кристаллизуются в некотором интервале температур, внутри которого наряду с жидкой имеет место и твёрдая фаза. Поэтому на кривой охлаждения сплава наблюдается не одна, как у чистого металла (рис.18,б), а две критические точки (рис.20), соответствующие началу и концу кристаллизации. Выше точки начала кристаллизации Тн.кр. сплав находится в жидком состоянии, ниже точки Тк.кр. сплав переходит в кристаллическое состояние, а между точками Тн.кр. и Тк.кр. наряду с жидкостью в сплаве содержатся и твёрдые кристаллы одного из компонентов.

Следует отметить, что кривая охлаждения эвтектического сплава выглядит так же, как и кривая охлаждения чистого металла, причём температура кристаллизации эвтектики будет наинизшей для данной системы сплавов.

У многих сплавов в твёрдом состоянии могут происходить различные фазовые превращения и образование новых кристаллов. Это явление называется вторичной кристаллизацией, или перекристаллизацией. Наибольший интерес для практических целей представляет вторичная кристаллизация сплавов железо-углерод. В результате вторичной кристаллизации происходит, например, переход из одной аллотропической формы в другую (полиморфные превращения), распад твёрдых растворов, распад и образование химических соединений.

Акулич Н.В. Процессы производства черных и цветных металлов и их сплавов, Гомель 2008